Der Übergang zu einer Gesellschaft ohne fossile Brennstoffe hin zu einer weitestgehend strombasierten Gesellschaft bedeutet, dass der Bedarf an Batterien in rasantem Tempo zunimmt. Dieser Anstieg wird eine Verknappung von Rohstoffen wie Lithium und Kobalt mit sich bringen, zwei Schlüsselkomponenten in den gängigsten Batterietypen. Eine technologische Lösung, um dieses Problem zu umgehen, ist die Natrium-Ionen-Batterie, bei der normales Salz und Biomasse aus der Forstindustrie die wichtigsten Rohstoffe sind.
Jetzt zeigten Forscher der Chalmers University of Technology aus Schweden, dass Natrium-Ionen-Batterien eine gleichwertige Klimawirkung haben können wie ihre Lithium-Ionen-Gegenstücke – ganz ohne das Risiko, dass die Rohstoffe ausgehen. „Die Materialien, die wir in den Batterien der Zukunft verwenden, werden wichtig sein, um auf erneuerbare Energien und eine fossilfreie Fahrzeugflotte umsteigen zu können“, sagt Rickard Arvidsson, außerordentlicher Professor für Umweltsystemanalyse bei Chalmers.
Laut dem Gesetz über kritische Rohstoffe der Europäischen Kommission wird die Nachfrage nach Batterierohstoffen voraussichtlich exponentiell steigen, da die EU-Länder verstärkt auf erneuerbare Energiesysteme und Elektroautos umsteigen. Die grüne Transformation wird auch mehr lokale Produktion von Batterien und anderen neuen fossilfreien Technologien erfordern, und ein stetiges Angebot an Rohstoffen ist erforderlich, um die Nachfrage zu befriedigen.
„Lithium-Ionen-Batterien werden zu einer dominierenden Technologie in der Welt. Sie sind besser für das Klima als fossile Technologien, besonders wenn es um Mobilität und Transport geht“, sagt Arvidsson. „Aber Lithium stellt einen Engpass dar. Sie können Lithium-basierte Batterien nicht mit der gleichen Geschwindigkeit produzieren, wie Sie Elektroautos produzieren möchten, und die Vorkommen riskieren, langfristig erschöpft zu sein“, so der Chalmers-Professor. Darüber hinaus werden wichtige Batteriematerialien wie Lithium und Kobalt an nur wenigen Orten der Welt abgebaut, was ein Risiko für die Versorgung darstellt.
Natrium-Ionen-Batterien bieten eine vielversprechende Alternative
Unternehmen, Startups und Forschende weltweit sind auf der Suche nach der nächsten Generation der nachhaltigen Energiespeicherung. Die Batterie von morgen hat vorzugsweise eine lange Lebensdauer und eine hohe Energiedichte und sollte einfach herzustellen sein. Das Forschungsteam von Chalmers entschied sich dazu, im Bereich der Natrium-Ionen-Batterien zu forschen, die Natrium – eine sehr häufig vorkommende Substanz, die in gängigem Natriumchlorid vorkommt – anstelle von Lithium enthalten. In einer neuen Studie haben die Forschenden nun eine Lebenszyklusbewertung der Batterien durchgeführt, bei der sie ihre gesamten Umwelt- und Ressourcenauswirkungen während der Rohstoffgewinnung und -herstellung untersucht haben.
„Wir sind zu dem Schluss gekommen, dass Natrium-Ionen-Batterien in Bezug auf die Knappheit der Ressourcen und in Bezug auf die Klimaauswirkungen viel besser dastehen als Lithium-Ionen-Batterien“, so Arvidsson. „Je nachdem, welches Szenario wir betrachten, landen wir zwischen 60 und etwas mehr als 100 Kilogramm CO2-Äquivalente pro Kilowattstunde theoretische Stromspeicherkapazität“. Das sei deutlich weniger als zuvor für diese Art von Natrium-Ionen-Batterie berichtet und liege im Bereich aktueller Lithium-Ionen-Akkus. „Es ist eindeutig eine vielversprechende Technologie„, sagt Professor Arvidsson.
Die Forscher identifizierten auch eine Reihe von weiteren Maßnahmen mit dem Potenzial, die Klimaauswirkungen weiter zu reduzieren, wie z.B. die Entwicklung eines umweltverträglichen Elektrolyten, da dieser einen großen Teil der Gesamtauswirkungen der Batterie ausmacht.
Grüne Energie erfordert Energiespeicherung
Die Forschenden erwarten, dass bereits die heutigen Natrium-Ionen-Batterien für stationäre Energiespeicherung im Stromnetz verwendet werden können. Mit der weiteren Entwicklung könnten sie wahrscheinlich auch in Zukunft in Elektrofahrzeugen verwendet werden. Erste Automodelle mit Natrium-Ionen-Akkus sind in China bereits unterwegs. Der Hauptvorteil der Technologie ist, dass die Materialien für Natrium-Ionen-Batterien reichlich vorhanden und auf der ganzen Welt zu finden sind.
Eine Elektrode in den Batterien – die Kathode – hat Natrium-Ionen als Ladungsträger, und die andere Elektrode – die Anode – besteht aus hartem Kohlenstoff, der in einem der Beispiele, die die Chalmers-Forscher untersucht haben, aus Biomasse aus der Forstindustrie hergestellt werden kann. Arvidsson betont die Chancen, die darin liegen: „Batterien, die auf reichlich vorhandenen Rohstoffen basieren, könnten geopolitische Risiken und Abhängigkeiten von bestimmten Regionen sowohl für Batteriehersteller als auch für Länder reduzieren“.
Die Studie (hier in Langfassung verlinkt) umfasst die Lebenszyklusbewertung von zwei verschiedenen Natrium-Ionen-Batteriezellen, bei denen die Umwelt- und Ressourcenauswirkungen von der Rohstoffgewinnung bis zur Herstellung einer Batteriezelle untersucht werden. Die Funktionseinheit der Studie ist 1 kWh theoretische Stromspeicherkapazität auf Zellenebene. Untersucht wurden Pouchzellen mit einer Kapazität von 5 Ah und einer theoretischen spezifischen Energiedichte von 160 Wh/kg. Beide Arten der untersuchten Batteriezellen basieren hauptsächlich auf reichlich vorhandenen Rohstoffen. Die Anode besteht aus hartem Kohlenstoff entweder aus biobasiertem Lignin oder fossilen Rohstoffen, und die Kathode besteht aus sogenanntem Preußisch Weiß (bestehend aus Natrium, Eisen, Kohlenstoff und Stickstoff). Der Elektrolyt enthält ein Natriumsalz.
Quelle: Chalmers – Pressemitteilung vom 13.12.2023
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